超硬材料刀具在机械加工中的应用

杨海 刘涛

摘要：最理想的道具材料应该不仅有很高的硬度，还要有极高的韧性，而在应用高速加工技术、切削技术等，使道具材料在技术上有更高的要求，使超高道具材料获得广泛的应用。本文基于我国超硬材料道具在机械冷加工中的使用，在机械冷加工中使用此材料，用车削代替密削。因为超硬材料刀具的耐用性极高，成本相比较低，使机械冷加工中使用此刀具材料将更加广泛。

关键词：刀具材料;超硬材料;金刚石;刀具应用

引言：

我国超硬刀具应用材料的研究和使用开始在20世纪70到90年代后，有不少超硬材料生产厂从国外引进了成套的超硬材料合成设备技术，使产品生产量大大提高，我国跻身于超硬材料的大国中。刀具是机械加工中的必要工具，而好的刀具需要有很强的硬度和韧性。就当前来看，大部分超硬性刀具均是利用人造金刚石这类的复合材料制作而成，可以将刀具的制造成本大大减少。本文讨论车削加工金属原料加工、硬质合金制品以及难磨材料的加工等方面的使用情况。

1.超硬材料刀具的种类和性能

1.1金刚石CVD

在低压条件下制备而成的CVD不同于大单品的金刚石，金刚石有更高的硬度和耐磨性，有10000HV的显微硬度，是刀具材料中最硬的材料。同时，由于其摩擦系数小，和非铁金属没有亲和力，导热率良好，切削时不会有积屑产生，加工的表面可保持良好的质量，可以加工非金属和非铁金属材料，比如钢、铝、铜等金属和合金、陶瓷等有色金属以及陶瓷、合金等各种硬合金和各类纤维与颗粒复合材料。其缺点是韧性差，没有很好的热稳定性。在700～800摄氏度时极易发生碳化，所以不适用在加工钢铁材料中。主要由于当处于高温中的碳原子很容易和铁原子发生反应，进而转化为石墨。

1.2人工聚晶金刚石PCD

PCD是在高温和高压中通过金属将各种金刚石单品粉聚晶而成的多晶体材料。虽然硬度没有单晶体金刚石高，但是由于是随机的金刚石晶粒聚合而成，有一定各向性。所以，在不同晶面上都有不同的强度和硬度以及耐磨性。在进行切削时对意外损坏情况不会很敏感，抗磨损粒也更强，能够长时间有锋利的切韧。在进行加工时能使用很快的切割速度以及很大的背驰力量，相比WC基硬质合金刀具有更高的使用时间。同时，PCD原材料的来源十分丰富、价格低廉，导热性高切低膨胀系数低，已经代替了WC基硬质合金刀具，在加工铝合金类的非铁材料上有很高的生产率和可靠性。而聚品金刚石复合片PDC刀具的基体材料是在PCD的基础上制造而成的。因此有很好的韧性和硬度，不但有金刚石的硬度与耐磨性，也有硬质合金的韧性与可焊接性等优点。

2.超硬材料刀具在机械加工中的使用

2.1车削加工

车削加工过程中，加工硬钢原料时需要进行超硬材料刀具的使用。在具体的使用中此材料能够实现用车代替磨的应用效果，使切削的深度比磨削的高度超几十倍之高。同时也可以将加工效率提升4倍以上，而成本则降低到原来的20%。比如，在硬度高于45HRC 的粹硬钢加工改造时需要使用PCBN刀具操作，且确保切割的速度在80m/min到120m/min中[2]。况且随着工件不断增多，可以适量的降低加工的速度，保证加工的质量。如图（1）是车削技术加工：

当前在汽车发动机缸孔中的镗孔加工上PCBN刀具获得十分多的应用。而PCBN刀具便是使用聚晶立方体氧化硼材料制作而成的，使用寿命较长，有稳定的尺寸、加工精度高且生产效率极高等优势。另外，在坞硬质合金汽缸镗削加工中使用CVD刀具，保持切割速度在0.5m/s，深度达到0.12mm，同时一次能独立完成对八个零件的加工[2]。

2.3陶瓷材料的加工

作为一种先进的产品，新陶瓷材料作为金属和WC的代替材料得到在工业上的应用，金属垫陶瓷刀具材料的力学性能和材料的晶粒大小有密切关系。而工程的陶瓷产品必须在其表面有很好的粗糙度和精准的尺寸差，但是因为这些陶瓷产品有较高的强度、抗磨损性，用一般的加工方法很难达到要求，因此需要使用超硬的材料进行加工，也是一种很科学经济的方法。

2.4钻削加工

在对陶瓷、玻璃等材料进行钻削加工时可用PDC钻头。从当前的状况看，大部分玻璃店以及加工企业都是用PCD钻头对玻璃和镜子进行加工。在我国市场中最常见的金刚石钻头是直径为3mm到130mm之间[1]。从材质来看，玻璃钻头有树脂金刚石等各种材料。使用此种刀具对石材进行加工可以确保工作的高效率和很好的加工效果。另外，对导电材料的圆柱孔和园锥孔加工上金刚石同样有很高的应用。

2.5半导体材料的加工

半导体在遇到硬、脆这种价值极高，而计算机技术的规模化对硅片的精密度有更严格的要求。使用传统的金属工具已经不能满足需要，必须改用有超硬材料的磨具。

3.结束语

机械加工的不断发展使以往的金属加工刀具已经不能满足现代加工技术的需要。而使用超硬材料刀具有较高的质地，能对各种材料进行加工，对机械加工的加工质量和加工效率有关键作用，因此在机械技工使用方面取得广泛的应用。对此需要有关人员充分考虑到超硬材料刀具在机械加工中的使用问题，对其有深入的了解，从而更好的掌握有关加工技能，进而让机械加工有更高的质量。

参考文献：

[1]孙庆志. 超硬材料刀具在机械加工中的应用[J]. 科技创新导报， 2018， v.15;No.440（08）：115-116.

[2]李文敏，張玉升，刘洪涛. 浅谈超硬材料刀具在机械加工中的应用[J]. 山东工业技术， 2015（14）：17-17.